刀具前角對木塑復合材料加工表面質量的影響

孫成崗 朱夢男 郭曉磊

（1.浙江巨美家科技有限公司, 浙江 湖州 313015；2.南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037）

木塑復合材料(wood plastic composite, WPC)由木粉和PE 為主要原料，輔以多種添加劑制備而成的一種復合材料，同時將木材和塑料的性能結合起來，不僅具有良好的力學性能，同時在防腐、阻燃、防水和抗老化等方面具有獨特的優勢[1,2]。因此WPC 廣泛應用于室內裝飾、城市景觀設計和傳統中式家具等[3-6]。

WPC 作為一種新型的環保材料，人們對其的需求也日益增加，因此對WPC 產品加工質量的要求也更高。蔣榮升[7]采用單因素方差分析方法分析了不同刀具前角和主軸轉速對WPC 已加工工件表面質量的影響，結果表明，隨著刀具前角的增大，已加工工件表面質量逐漸升高，但主軸轉速增大，其表面質量逐漸變差。高語[8,9]研究了木纖維增強氧化鎂復合材料錐形銑削，分析了刀具錐度角、銑削速度和銑削深度對已加工工件表面質量的影響，結果表明，已加工工件表面質量隨著刀具錐度角和銑削速度的增大而升高，但是隨著銑削深度增大而降低。張豐和陳凱[10-12]研究了刨削時加工質量的預測模型和切削參數對木塑復合材料表面質量的影響，曹平祥、郭曉磊和朱兆龍[13-17]也研究了木質復合材料與切削參數之間的規律，但是對于木塑復合材料銑削加工的相關規律研究較少，需要進一步研究銑削參數與木塑復合材料加工的影響規律。

本文通過對木塑復合材料進行直齒圓柱銑削試驗，研究了刀具角度和每齒進給量對木塑復合材料銑削過程中切削力、切削溫度和已加工工件表面質量的變化規律，以期為實際生產加工提供理論依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選取的是木粉和PE 配比為7∶3 的木塑復合材料(浙江GIMIG 科技有限公司)作為加工試件，該公司主營木塑地板、木塑墻板和木塑建筑材料，其生產標準執行GB/T24508-2020,主要應用于室內及室外的地板。其材料性能執行GB/T29418-2012，試驗材料規格與物理性能見表1。刀具采用上海博深普銳高工具有限公司提供得硬質合金單齒柄銑刀，刀柄直徑16 mm，刀具前角2°、6°和10°，楔角固定為45°。

表1 木塑復合材料的材料性能

1.2 試驗方法

切削試驗在MGK01 高速切削加工中心(南興木工機械有限公司)開展；同時用9257B 石英三向測力儀(瑞士Kistler 公司)采集切削力，經電荷放大器5070A 對信號進行放大，然后由計算機中Dynoware軟件得出切削力值。東京精密生產的探針式SURFCOM NEX001SD-12 表面粗糙度儀測量配合軟件ACCTee Version5.6.11.0 采集數據；紅外熱成像(Thermo Vision A20,Thermo Finisher Co.Ltd,USA)；用環境掃描電鏡(FEI Quanta 200,荷蘭)掃描已加工工件表面更細微的損傷。

試驗采用直齒圓柱銑削方式，影響木塑復合材料的已加工表面質量的主要因素為刀具前角和每齒進給量。本文主要研究調整不同刀具前角和每齒進給量對WPC 加工表面質量的影響，得到最佳的加工參數。選取2°、6°和10°的刀具前角和0.1 mm/Z、0.3 mm/Z 和0.5 mm/Z 的每齒進給量加工工件（表2）。

表2 切削試驗設計

2 結果與分析

2.1 切削參數對切削力的影響

2.1.1 刀具前角對切削力的影響

在切削深度1.0 mm 和每齒進給量Uz=0.3 mm/Z時，從圖1 可以看出，在前角2°時,切向切削力Fx和徑向切削力Fy分別為141.14 N 和162.81 N；在前角10°時，切向切削力Fx和徑向切削力Fy為89.23N和112.16 N，分別降低了36.8%和32.1%。隨著刀具前角的增大，切向切削力Fx和徑向切削力Fy逐漸漸小。

圖1 刀具前角與切削力的關系

在WPC 加工工程中，較小的刀具前角，刀具的前刀面對切屑的擠壓越大，切屑與前刀面的摩擦越大，切屑變形越大，所消耗的切削力更大。隨著刀具前角的增大，刀具前刀面與切屑的接觸擠壓變形減小，刀具前刀面與切屑的摩擦減小，刀具后刀面與已加工工件表面摩擦減小，所消耗的切削力減小。另一方面原因是，刀具前角增大，刀具的切削刃更加鋒利，所以在加工工件時，切向切削力Fx和徑向切削力Fy逐漸降低。

2.1.2 每齒進給量對切削力的影響

從圖2 可以看出，在刀具前角2°時，每齒進給量0.1 mm/Z，切向切削力Fx和徑向切削力Fy分別為108.14N 和100.12N；在每齒進給量0.5 mm/Z 時，切向切削力Fx和徑向切削力Fy分別為198.38 N 和240.92 N，分別升高了54.5%和41.55%。隨著每齒進給量的增大，切向切削力Fx和徑向切削力Fy逐漸增大。

圖2 每齒進給量與切削力的關系

在加工工件過程中，隨著每齒進給量的增大，刀具前刀面刀刃切入工件量增大，單位面積的切削量增加，刀具的前刀面受到的阻力增大，刀具承受載荷增大導致Fx和Fy增大。另一方面，隨著每齒進給量的增大，切屑量增加致使刀具與工件之間的摩擦面積增大，摩擦力增大，因此Fx和Fy增大，與此同時，由于材料中木粉的含量遠遠大于PE 的含量，工件的抗沖擊強度較大，因此在加工工件過程中刀具受到的沖擊力增大，所以Fx和Fy增大。

2.2 切削參數對切削溫度的影響

2.2.1 刀具前角對切削溫度的影響

在切削深度1.0 mm 和每齒進給量Uz=0.1 mm/Z加工條件時，由圖3 可以看出，在刀具前角為2°~10°時，切削溫度呈現出隨著刀具前角的增大而逐漸降低的趨勢，切削溫度分別為57.12℃和44.7℃，降低了22.9%。切削熱主要是由于刀具前刀面和切屑之間的摩擦而產生，因為隨著刀具前角的增大，刀齒更加鋒利，在加工WPC過程中切屑更易去除，切屑帶走了大量的熱量，而且前角的增大致使后角的減小，同時減小了后刀面與已加工過的工件表面摩擦減小，所以切削溫度逐漸降低。另一方面，隨著刀具前角的增大，單位切削力減小，因此在加工工件過程中切削熱減少。

2.2.2 每齒進給量對切削溫度的影響

在切削深度1.5 mm 和刀具前角分別為2°、6°和10°時，由圖4 可以看出，在刀具前角6°時，每齒進給量0.1 mm/Z 時切削溫度是55.66℃，在每齒進給量0.5 mm/Z 時，切削溫度降低至40.35℃，降低了27.51%。隨著每齒進給量的增大，切削溫度逐漸降低。

圖4 每齒進給量與切削溫度的關系

隨著每齒進給量的增加，在加工工件過程中單位面積切屑量增多致使切削力增大，因此切屑與刀具直接劇烈摩擦產生大量的熱，但是隨著切屑剝離工件帶走了大量的熱，另一方面，在加工工件過程中，刀具后刀面與已加工工件表面之間的摩擦產生熱在切屑剝離工件的時候被刀具帶走，故而切削溫度逐漸降低。

2.3 切削參數對表面粗糙度的影響

2.3.1 刀具前角對表面粗糙度的影響

在切削深度1.5 mm 和每齒進給量Uz=0.1 mm/Z加工條件時，由圖5 和圖6 可以看出，隨著刀具前角的增大，已加工工件表面粗糙度逐漸降低且表面的毛刺、凹坑和凸起逐漸減少，在前角為2°和10°時的表面粗糙度分別為3.41 μm 和2.93 μm，降低了24.1%。這主要是隨著刀具前角的增大導致刀具在加工工件時，刀具的前刀面與切屑之間的變形減小和前刀面對切屑的擠壓破壞減小，減少了已加工工件表面毛刺、凹坑和凸起的生成。另一方面，隨著刀具前角的增大，楔角不變，即刀具后角減小，因此刀具的后刀面與已加工工件表面之間的摩擦減小，從而表面粗糙度逐漸降低，提高了已加工工件表面質量。

圖5 刀具前角與表面粗糙度的關系

2.3.2 每齒進給量對表面粗糙度的影響

在切削深度0.5 mm 和刀具前角分別為2°、6°和10°時，由圖7 可知，在刀具前角10°時，每齒進給量0.1 mm/Z 時，表面粗糙度值為2.216 μm，增大每齒進給量至0.5 mm/Z 時，表面粗糙度值降為1.603 μm，降低了27.69%。隨著每齒進給量的增大，已加工工件表面質量逐漸升高。原因是隨著每齒進給量的增大，主軸轉速逐漸增大，因此在加工工件時平均切削厚度減小，刀具-工件之間產生的震動幅度減小，切削過程更加穩定，表面粗糙降低，因此提高了工件加工質量。另一方面，在加工過程中，波紋深度對被加工工件的表面粗糙度有影響，然而波紋寬度會隨著主軸轉速的增大而減小，從而隨著每齒進給量的增大，表面粗糙度值會逐漸減小，工件加工質量提高。

圖7 每齒進給量與表面粗糙度的關系

3 結 論

本文在在MGK01 高速切削加工中心上對木粉/PE 的木塑復合材料進行切削試驗，研究了刀具前角和每齒進給量對WPC 的切削力、切削溫度和加工表面質量的影響，得到的主要結論如下：

（1）WPC 的切削力隨著刀具前角的增大逐漸降低，但是隨著每齒進給量的增大逐漸增大。在粗加工中可適當增大刀具前角和減小每齒進給量來減小切削力，進而減少加工時的高能耗問題和提高切削系統的穩定性。

（2）WPC 的切削溫度隨著刀具前角每齒進給量的增大逐漸降低。在粗加工中增大刀具前角，可以降低切削溫度進而提高刀具的使用壽命。

（3）導致已加工工件表面差的主要原因是表面的凹坑與凸起和波紋寬度。隨著切削力和切削溫度的增大，表面的凹坑與凸起和波紋寬度增大，表面質量變差。隨著刀具前角和每齒進給量的增大，已加工工件表面的粗糙度值逐漸降低。在WPC精加工過程中，應適當增大刀具前角和每齒進給量來提高已加工工件表面質量和提高加工效率。